核化學與放射化學
化學試劑,九料化工商城 / 2020-11-16
在大多數(shù)化學變化中,核的結(jié)構并沒有發(fā)生任何改變;表現(xiàn)出核結(jié)合得很緊而電子則與核相連結(jié)。然而核也可改變它們的狀態(tài)。核有時只是簡單地改變它們的能量象原子那樣以輻射放出過剩的能量。有時它們放射出帶電荷的粒子,結(jié)果改化和相應的放射物稱為放射性。這些變化了核本身的電荷,并因而對應地改變了它們的核。這些變化和相應的放射物稱為放射性。
放射性:a-,β-和Y=射線
放射性的早期研究者很快就發(fā)現(xiàn)放射性的射線可以分為三類,這三類射線對電場和磁場的反應各不相同,見圖1-17。
B--射線(或-粒子)最易鑒別出來,因為它們的性能完全與電子相同,而電子已經(jīng)是大家所熟悉的了。它們是從核內(nèi)快速射出的電子流。由于它們帶走一個負電荷,便使留下的核增加了一個正電荷,因此,當元素射出一個β-粒子時,就從原子序Z變?yōu)樵有?/span>Z+1,見圖1-18。例如核素15/6C具有β-放射性(它是一種放射性核素),每個原子從核中失去一個電子而變成一個7N原子。注意到電子很輕,故在發(fā)生β-放射時核的質(zhì)量并沒有改變;因此14C蛻變?yōu)?4N,即氮的普通同位素,一般地說,一個A/Z E元素在發(fā)生β-放射時便嬗變?yōu)?/span>
A
2+1E/.
γ-射線既不為電場也不受磁場所偏轉(zhuǎn),它是一種電磁波,也是電磁光譜的一部分。γ-射線比可見光的頻率要高得多,因而波長很短。甚至比x射線的波長還要短(甚至短于100pm)。γ-射線的穿透性很強,由于引起電離作用它能損害生物體的組織。γ-射線在工業(yè)中的一種應用是作厚度的測量,并可探測金屬構件的裂縫。
γ-輻射的光子是當原子核改變了它的能態(tài),并以輻射的方式放出其過剩能量時產(chǎn)生的。因為核子是強作用力(不同于原子里電子結(jié)構中帶電粒子間較弱的靜電作用力)連結(jié)在一起,因而γ-輻射所含的能量及其頻率都比原子光譜大得多。γ-射線通常伴隨著B-射線(以及a-射線)而發(fā)生,因為射線的發(fā)射會導致生成一種能級上處于激發(fā)狀態(tài)的新元素,見圖1-18。而Y-射線是由原子核失去能量的一種能態(tài)變化的結(jié)果,所以它的產(chǎn)生并不引起新元素的生成。
a-射線(或a-粒子)最難鑒別,因為當首次發(fā)現(xiàn)a-射線時,對與此相類似的東西還一無所知。只有一點它們在電場中偏向負極,表明它們帶有正電荷。盧瑟福又一次作出了關鍵性的實驗。它證明當由于a-輻射而蛻變時,其附近就有生成。在偏轉(zhuǎn)試驗中測出a-粒子的質(zhì)荷比之后,很快就得出a-粒子是4?He2+(即沒有電子的氦核,由兩個質(zhì)子和兩個中子緊密聚集而成)的結(jié)論,核子的結(jié)合是非常穩(wěn)定的,就像一個閉合層的電子結(jié)構一樣。在某些原子中已證實了原子核內(nèi)存在著質(zhì)子和中子結(jié)合在一起而構成的a-粒子。
當一個原子核放射出一個a-粒子時,便帶走兩個正電荷。從而這個元素的原子序數(shù)便從x降到3-2,見圖1-19。又因a-粒子系由四個核子所組成,a粒子就要帶走四個質(zhì)量單位,故此這個元素的質(zhì)量數(shù)便從A變?yōu)锳-4由此可知在a輻射的同時,元素A/z E就嬗變?yōu)?/span>A-4 Z-2 E〞.
例:推斷在(a)24/11 Na的β-蛻變和(b)226/88 Ra的d-蛻變中將產(chǎn)生什么樣的核素.
方法:利用上述規(guī)則:在β-蛻變中A/Z E變?yōu)锳/Z+1E〞和在a-蛻變中變?yōu)锳/Z E A-4 Z-2 E.從周期表中所列數(shù)據(jù)可鑒別出該元素。
解答:(a)A=24,Z=11;因此產(chǎn)生的核素為24/12E〞。原子序Z=12的元素是Mg因此蛻變反應為24/11 Na-→24/12Mg+β.
(b)A=226,Z=88;因此產(chǎn)生的核素為222/86E〞Z=86可鑒定為Rn.故蛻變反應為226/88Ra→222/86Rn+a.
評注:鐳的蛻變反應是盧瑟福和羅德斯(Royds)在鑒定a-粒子的過程中得到氡所采用過的試驗方法。
元素的嬗變是由于不穩(wěn)定的核,放射出各種類型的射線而發(fā)生的。圖1-20很好地說明了鈾系的嬗變過程。質(zhì)量數(shù)類似于鈾的其它天然放射性元素可蛻變到鉛2pb的某些同位素,而鉛獨特的穩(wěn)定性曾使人們這樣推測:元素114如果可以單獨制取出來的話它也是穩(wěn)定的。星球的內(nèi)部以及當星球爆炸時可以合成出某些元素。在地球上我們必須用較緩和的方法,在粒子加速器中以碰撞的辦法制備出新的原子核。在碰撞時發(fā)生的核反應可以下列方式表示（九料化工http://yuehuifs.cn/）:
核靶(進入的粒子,出來的粒子)產(chǎn)生的核上“式”必須是平衡的,即碰撞前后原子序和質(zhì)量數(shù)的總和必須相等;電子、質(zhì)子和中子分別表示為¹-1e,¹?p和¹0ñ.
例:描述下列核反應所產(chǎn)生的核素:(a)14\7N(¹0n,¹?P);(b)9/4Be(4?a,¹﹣0n):(c)7?Li(¹?P,4?a).
方法:產(chǎn)物中的質(zhì)量數(shù)總和必須等于在起始時反應物的質(zhì)量數(shù)的總和;同樣原子序也應是如此。故可利用反應平衡的則求出會A/Z E,使A/Z E滿足題意的要求,并從周期表定出該核素。
解答:(a)¹7 4N(¹0n,¹?P)A/Z E必須是A=14,Z=6;產(chǎn)物是¹6/4C.
(b)9/4Be(4?a,4/0n)會E必須是A=12,Z=6;產(chǎn)物是¹6²C.
(c)7?Li(¹?P,4?a)A/Z E必須是A=4,Z=2,產(chǎn)物是4?He.
評注:反應(b)曾被恰維克(Chad wick在1932年用來鑒定中子。反應(c)是用人工加速離子首次完成的嬗變作用[1932年在科克洛夫特(Cockcroft)和瓦爾頓(Walton最使用的原子擊破器中進行]。重元素是用重的轟擊粒子形成的。例如元素106是由反應249Cf(18 O,4¹0n)263 106產(chǎn)生的。
核動力的產(chǎn)生是以核反應中釋出的能量為基礎的。在核分裂中一個中子的碰撞可以使一個重核破裂,并放出核中的束縛能,甚至還放出更多的中子(質(zhì)量消失的總結(jié)果以E=mC2的關系轉(zhuǎn)變)。這些中子又再使幾個鄰近的核發(fā)生裂變,以至形成一個鏈反應。
若大量中子被吸收(像在反應堆中發(fā)生的情形一樣)鏈反應就可受到控制。若中子不被吸收,鏈反應就迅速加快而引起爆炸。在核聚變中,當一些輕的核聚變?yōu)橐粋€重核時便釋放出能量,象星球內(nèi)部反應一樣。在地球上,人們希望盡快掌握受控核聚變反應的條件.
放射性的半衰期
在任一樣品中放射性原子蛻變一半所需的時間稱為該核素的放射性半衰期,并以t1/2表放射性的半衰期示。半衰期可以短至1秒以下(例如P的半衰期只有3.04×10-7s),也可以長達億萬年以上(例如23V的半衰期長達6×1015年)。
放射性蛻變定律表示放射性樣品蛻變的速度這個速度與放射性原子存在的數(shù)目成正比:速度=?N （1-4-1）
?(Lambda)稱為蛻變常數(shù),它與半衰期的關系為=(In2)t?/2。為什么是這樣的規(guī)律,在處理過反應速度問題之后就能消楚(見第十四章),實質(zhì)上是意味著核的崩裂為無規(guī)則的，這個定律的重要性是它使我們能夠推測某些起始樣品中尚未蛻變的原子占多大的比例。已知開始時的原子數(shù)為N.求經(jīng)過時間t后所存的原子數(shù)可解上式而得:N=Noe ?^t(1-4-2）這種按指數(shù)蛻變的性質(zhì)示于圖1-21中.
例:核爆炸的一種重要產(chǎn)物是50CO核素。它的半衰期是5.25年.問1982年作過該項試驗的一個核裝置,經(jīng)過20年后遺留的核素將是原來核素的幾分之幾?
方法:用(n2)/t12得出?,并以t=200。代?式(1-4-2),便可求出分數(shù)N/N0.
解答:λ=(1n2)/(5.25)=0.132a-1
由式(1-4-2)得出
N/No=e-(0.132)x20=e-2.64=0.0714或7.14%
評注:本題使我們得到這樣的印象:放射性核素,要經(jīng)歷很長時間才能消除。驗算表明,核爆炸經(jīng)過70年后,存在的60Co的分數(shù)仍不低于0.01%。
上面結(jié)論的一個熟悉和重要的應用是考古學上研究遺跡的年代。在大氣中由于宇宙射線對氮轟擊的結(jié)果,不斷產(chǎn)生核素14C。因此,從相當可靠的近似計算得知,14C的豐度大致上是個常數(shù),CO2在大氣中所占的分數(shù)也是個常數(shù)(大約10000個分子中有1個CO2分子)。由于生物體中不斷攝取碳的化合物例如復合的分子或者CO2(在光合作用中),故含有一定的4C的百分數(shù)。當他們死亡之后便停止攝取,因而14C的含量不再補充而按照半衰期為5570年的放射性蛻變定律進行蛻變。因此若用測量生物體的β活性的方法測出生物體死亡若干時日后,14C與12C的比例,就可表明該生物體的壽命。測量結(jié)果的誤差部分來自大氣中14C的比例,并非是準確的常數(shù),因為這與很多因素有關,如太陽黑子的活性和地球的磁場變化等。采用這種方法是為了要對一些更為直接的記載方法(例如計算樹的年輪等)作對比驗證。其它的核素(例如40K)也可用作考古學的記載。
在化學中(以及藥物學中)應用放射性同位素有很多優(yōu)點特別是放射性示蹤,使我們能夠跟蹤一個元素通過一連串反應的歷程,這在生物化學中特別有用。利用14C從它被攝入到被排出的整個過程中的示蹤作用,可以闡明新陳代謝的途徑.
核化學與放射化學提要
1.原子由位于中心的原子核及繞核旋轉(zhuǎn)的電子所組成。這種有核原子的結(jié)構是由蓋革-馬爾斯登進行了a-粒子散射試驗之后提出的。
2.元素的特性是由它的原子序z,即原子核中的質(zhì)子數(shù)所決定的。一種元素的各種同位素的中子數(shù)不同而質(zhì)子數(shù)相同.
3.原子的質(zhì)量數(shù)就是該原子核中核子(質(zhì)子和中子)的總數(shù)。一個核素就是一個指定質(zhì)量數(shù)的原子。
4.元素的相對原子量A是一個指定的核素相對于一個12C原子(質(zhì)量定為12.0000)的質(zhì)量。
5.使用質(zhì)譜儀可以很容易地將質(zhì)量數(shù)、實際質(zhì)量及核素的豐度測定出來。
6.原子軌道給出原子中電子的分布。
7.s-軌道是球形對稱的,p-軌道呈雙葉形,而d-軌道則為四個葉形。
8.原子的電子結(jié)構是以構造原理推測的電子排布來表示的。這種排布以保利的不相容原理為基礎,即一個軌道最多只能容納兩個電子。
9.化學周期性是由于元素的電子結(jié)構的周期性引起的,而電子結(jié)構的周期性則是自然地從構造原理得來的。
10.電離能是周期性的,原子核對它的最外層價電子的靜電作用有關。
11.1s2和1s2,2s2,2p6的排布是閉合層結(jié)構的例子。閉合層結(jié)構的元素是很穩(wěn)定的,主要是因為它們排布得很緊密,并且所有電子都緊靠原子核。
12.原子光譜用于鑒別元素、觀察電子結(jié)構和原子的能級以及測量電離能。這種分析是以波爾頻率條件為依據(jù)的
13.頻率和波長?=C/v的光可以看作是一股光子流,每一個光子的能量為hv.其中h為普朗克常數(shù)。
14.氫原子光譜可由里德伯格-里茲公式(1-3-3式)概括表示出來.
15.從原子核的放射活性發(fā)出的射線可分為三類:a-射線是不帶電子的氦核4?He2+,β-射線是從核中射出的電子,γ-射線是電磁輻射,其波長一般小于100pm.
16.當射出一個a-粒子時,核素A/Z E就嬗變?yōu)锳-4 Z-2 E;當射出一個β-粒子時,核素就從A/Z E變?yōu)閆 A+1E′;當射出一道γ-射線時,核素改變它的能量,但本體沒有改變。
17.放射活性的半衰期是指樣品中該放射核素的豐度減少一半所需的時間。放射活性的蛻變定律意味著放射性物質(zhì)的豐度按指數(shù)關系減少。
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